Fornelli sprecati

Nel libro “La Scienza della Carne. La chimica della bistecca e dell’arrosto” il buon Dario Bressanini riporta dei passi di Benjamin Thompson, genio eclettico britannico del Settecento, in cui sono riportati degli studi scientifici sulla temperatura di cottura dei cibi. 

[di PublicDomainPictures da Pixabay]

In futuro parlerò del libro del brillante chimico e divulgatore, però in questo articolo vorrei focalizzarmi su un dettaglio che causa un elevato spreco di combustibile nelle cucine.

Qual è la massima temperatura che un liquido può raggiungere? La temperatura di ebollizione. L’acqua, che bolle a 100°C al livello del mare, è forse uno tra i liquidi più comuni che riempiono le nostre pentole, basti pensare al proverbiale “butta la pasta”. 

Tuttavia, tenere la fiamma alta una volta che l’acqua bolle non può aumentarne la temperatura e danneggia sia l’ambiente che il conto corrente. Si brucia inutilmente del combustibile, come il gas metano, producendo sia anidride carbonica che bollette più care. Pertanto, per avere acqua a 100°C al livello del mare è sufficiente raggiungere l’ebollizione e usare la minima fiamma che la sostenga. 

Certo, bisognerebbe anche specificare l’altitudine, perché la temperatura di ebollizione diminuisce con essa.

Oggi però, cerchiamo di dare risposta ad un interrogativo preciso: perché, sebbene si continui ad erogare calore, un liquido non può superare la sua temperatura di ebollizione? 

Il motivo viene spiegato dalla Chimica Fisica, mediante l’utilizzo di concetti e fenomeni più o meno noti e più o meno semplici da spiegare. In breve: alla temperatura di ebollizione, l’entalpia presenta una discontinuità. 

Entalpia, discontinuità? Jonny parla potabile.

Punto primo: ENTALPIA

Per entalpia, in termodinamica, si intende la funzione H=U+PV, dove U è l’energia interna del sistema, P è la pressione e V è il volume. L’entalpia è uno dei potenziali termodinamici, cioè una funzione il cui valore dipende soltanto dallo stato iniziale e finale del sistema fisico in esame (nel nostro caso la pentola d’acqua). 

Tecnicismi a parte, a pressione costante (condizione generalmente verificata) la differenza di entalpia corrisponde al calore scambiato[1] [2]

Se avete notato, ora sto parlando di differenza di entalpia e non di entalpia soltanto. Perché?

Se è possibile definire grandezze come energia interna ed entalpia, non lo è una loro conoscenza assoluta, ma solo relativa. Facciamo un esempio, fisicamente non ortodosso, ma comprensibile. Ha senso la frase “Casa mia dista 1 km”? No, da dove dista un chilometro?

Dalla palestra o dall’università? Bisogna specificare un punto iniziale affinché la distanza abbia un significato. Analogamente, serve uno stato iniziale per misurare l’entalpia dello stato finaleQuesta misura non può essere assoluta, ma relativa, cioè una “distanza” di entalpia

Per esempio, prendiamo la nostra pentola e la mettiamo sul fornello acceso e l’atmosfera funge da barostato, cioè mantiene la pressione costante. La fiamma del fornello fornisce alla pentola 1 Kcal, quindi il calore scambiato tra pentola e fornello è 1 Kcal. La differenza di entalpia assumerà lo stesso valore.

Punto secondo: DISCONTINUITÀ

La discontinuità è un concetto matematico ed, evitando i formalismi, indica la presenza di punti in un grafico in cui la funzione non è ben definita.

Volendo semplificare ancora di più, una discontinuità è un punto in cui la funzione si comporta in modo “bizzarro”.

Osservando la figura in basso, che rappresenta l’entalpia molare in funzione della temperatura, si nota che alla temperatura di transizione (la temperatura di ebollizione) l’entalpia fa un salto e la grandezza del salto corrisponde al calore che assorbe una mole di sostanza per passare dalla fase liquida a quella vapore.

Cosa implica che l’entalpia salta? Significa che alla temperatura di transizione (i 100°C per l’acqua che passa da liquida a gassosa) l’entalpia non ha un valore univoco, ma ne ha due: uno per ogni fase (cioè l’acqua liquida e l’acqua gassosa).

Continuando con le precisazioni nerd, poiché l’entalpia è discontinua alla temperatura di transizione, anche la capacità termica a pressione costante, definita come derivata dell’entalpia rispetto alla temperatura, sarà discontinua nello stesso punto. Cioè, la capacità termica a pressione costante si comporta in modo “strano” alla temperatura di transizione. La derivata di una funzione è un concetto matematico davvero molto importante e, semplificando molto, ne descrive l’andamento (in aumento, in diminuzione o costante).

Fermi tutti! Urge un passaggio ulteriore.

La capacità termica misura quanto calore un oggetto debba assorbire per aumentare di temperatura. In altre parole, la capacità termica (a pressione costante) indica come si comporta (se cresce, decresce o resta costante) l’entalpia con l’aumento o diminuzione della temperatura.

Con questa definizione, la capacità termica di un liquido che bolle è infinita, perché la temperatura resta costante indipendentemente dal calore fornito.

Per capirlo meglio, guardate il grafico in alto: quanto calore bisogna dare al sistema (la nostra pentola con l’acqua bollente) per farlo aumentare di temperatura? Infinito, perché la temperatura è bloccata ad un solo valore, quello relativo alla transizione di fase. Usando una metafora, una pentola d’acqua che bolle è come una spugna di calore che assorbe all’infinito senza che la sua temperatura sia alterata.

Cerchiamo adesso di tirare le somme di tutti questi passaggi: non vorrei aver messo troppa ACQUA al fuoco!

In conclusione, la morale della favola è che affinché si abbia un aumento della temperatura sopra i 100°C nella nostra pentola con la pasta, dovrebbe evaporare prima tutta l’acqua. Ma non credo possiate poi mangiare un buon piatto di pasta in questo modo!

Jonathan Campeggio
Chimico Teorico presso l’Università degli Studi di Padova, sono appassionato di sport e divulgazione scientifica! Alla prossima!

Note
In chimica, la mole è la quantità di sostanza che contiene 6.022 ×1023 particelle: ad esempio, 6.022 ×1023 molecole di acqua costituiscono una mole.

Fonti:

  • Peter Atkins, Julio De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli;
  • Diego Frezzato, Giorgio Moro, Materiale di Lezione del corso di Chimica Fisica 1.

Questo articolo ha 2 commenti.

  1. Io sono passato a tutto elettrico!! Fornelli e boiler compresi!! Capisco che in italia è stupido perché l’elettricità per le maggior parte viene ricavata da fonti non rinnovabili ma questo non è un problema dell’utente che può adeguarsi come ho fatto io..ma del sistema Italia!! Non credete così sarebbe risolto il problema delle emissioni ??

    1. Ciao Gigi, grazie del tuo commento!
      Purtroppo non è così facile, anche se sarebbe davvero magnifico!
      Ogni fonte “rinnovabile” ha i suoi pro e i suoi contro e ci vogliono attente misure per agire su una scala ampia come quella nazionale senza andare a creare ulteriori problemi.
      Certo è che, se tutti si impegnassero come per esempio fai tu, avremmo molti meno problemi: i consumatori sono i primi che possono dare il buon esempio!

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